Thèse Composés Inorganiques Mécanoluminescents Rôle de la Sollicitation Mécanique sur les Transitions Photo-Eléctroniques H/F Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Rennes École doctorale : École doctorale Science de la Matière, des Molécules et Matériaux Laboratoire de recherche : INSTITUT DE PHYSIQUE DE RENNES Direction de la thèse : Tanguy ROUXEL Date limite de candidature : 2026-12-20T00:00:00 La mécanoluminescence (ML) désigne le phénomène par lequel un matériau émet de la lumière sous l'effet d'une sollicitation mécanique. Lorsque ce phénomène se produit dans le régime de déformation élastique, on parle d'élastomécanoluminescence (EML). L'EML est étroitement liée à la déformation élastique au sein des sites actifs du cristal, notamment le site d'activation (par exemple, le centre luminescent), les sites de piègeage des porteurs de charge et, éventuellement, la zone où s'opère le transfert de charge. Il a été démontré que l'intensité de la lumière émise varie en fonction de la charge mécanique appliquée et que la réponse diffère sensiblement selon que les phases actives sont soumises à une contrainte déviatorique ou hydrostatique. L'objectif de ce projet est de déterminer - tant sur le plan expérimental que théorique - comment un champ de contraintes donné se traduit par un processus de dépiègeage au sein d'un composé EML, et finalement par recombinaison avec les centres de luminescence à une émission de lumière. Dans ce cadre, le projet, menée en collaboration avec une équipe allemande (université de Iéna), mettra l'accent sur des mesures de thermoluminescence sous chargement mécanique. Dans un premier temps, des composés EML sensibles soit au cisaillement, soit à la pression hydrostatique, seront synthétisés en s'appuyant sur les travaux de recherche menés par notre groupe et d'autres équipes. Des échantillons seront ensuite préparés afin de caractériser leurs propriétés optiques - et plus spécifiquement leur luminescence - sous contrainte mécanique. Des essais mécaniques - incluant la compression uniaxiale, la torsion (sur des fibres), la pression hydrostatique et l'indentation - seront réalisés afin de déterminer le rôle des composantes hydrostatique et déviatorique du champ de contrainte. Les effets de la vitesse de déformation et de la température - des paramètres d'importance majeure pour la mécanoluminescence - seront également caractérisés. Cette étape nécessite la mise au point de dispositifs de mesure inédits et spécialisés qui seront développés dans le cadre de l'ANR franco-allemande MEKALUM. Ces mesures seront complétées par des analyses de spectroscopie d'émission, d'excitation et d'absorption, ainsi que par des mesures in situ des distorsions structurales. Parallèlement, des calculs DFT seront réalisés en collaboration avec une équipe de chimie théorique à Rennes, et des expériences complémentaires seront menées à l'Institut Otto Schott d'Iéna (université Friedrich Schiller), notamment pour étudier la réponse aux ultrasons et approfondir l'analyse des propriétés de luminescence. La réponse d'un cristal mécanoluminescent à un champ de contraintes dépend également des caractéristiques physico-chimiques du cristal. La théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) permet d'identifier les sites responsables du piégeage des électrons libérés par l'ion actif (généralement une terre rare) et les niveaux d'énergie associés, ainsi que l'évolution de ces niveaux sous l'effet d'une contrainte mécanique. L'objectif fondamental de cette étude est la compréhension de la mécanoluminescence, un phénomène qui suscite un intérêt croissant, mais reste très mal compris. Pour y parvenir, il est nécessaire de déterminer les transitions énergétiques et les mécanismes de piégeage et de dépiègeage des porteurs de charge (en particulier les électrons) qui se développent sous irradiation (aux UV) et sous chargement mécanique. Les niveaux d'énergie impliqués peuvent être sondés expérimentalement par thermoluminescence (TSL) ; toutefois, cette mesure, relativement complexe, n'a jamais été tentée sous contrainte mécanique. Des mesures couplées sont au coeur de ce projet. Les applications potentielles des matériaux inorganiques mécanoluminescents sont nombreuses et variées, en particulier dans les domaines de l'imagerie et de la détection médicale, la détection passive d'un endommagement, ou encore la signalisation autoportée.
[1] T. Rouxel, X. Rocquefelte and S. Tanabe, "Mechanoluminescence in crystalline inorganic materials: local disorder and the elastic distortion hypothesis", Optical Mat. X 31 100445 (2026). DOI: 10.1016/j.omx.2026.100445

[2] A. Duval, X. Rocquefelte, Y. Gueguen, D. Ryan, N. Godin, P. Houizot and T. Rouxel, "Mechanoluminescence of a Ba4Si6O16:Eu2+, Ho3+-Containing Glass-Ceramic: Experiments Under Different Loading Modes and Modeling", Physica Status Solidi (a) 223:e70357 (2026). DOI: 10.1002/pssa.70357

[3] A. Duval, X. Rocquefelte, Y. Gueguen, P. Houizot and T. Rouxel, "Deciphering Mechanoluminescence: How the Nature of Mechanical Stress and Structural Dimensionality Shape Mechanisms and Responses", submitted to the J. of Chem. of Materials (2026). DOI: 10.48550/arXiv.2607.19003